第2章 光电探测-1 201347

1、pn结光伏探测器工作原理结光伏探测器工作原理光伏效应：光伏效应：指光照使指光照使不均匀半导体不均匀半导体或半导体与金属或半导体与金属组合的不同部位之间产生组合的不同部位之间产生电位差电位差的现象。也称的现象。也称光生光生伏特效应伏特效应。光伏探测器是利用半导体PN结光伏特效应而制成的探测器，简称PV(Photo voltaic)探测器。PN结光伏探测器的典型结构及作用原理如下图所示。光电子技术研究所 光伏效应光伏效应 光伏现象是半导体材料的光伏现象是半导体材料的“结结”效应效应。 在在p型半导体和型半导体和n型半导体型半导体相接触时产生相接触时产生p-n结，在结结，在结区有一个从区有一个从n侧

2、指向侧指向p侧的侧的内建电场内建电场存在，热平衡下，存在，热平衡下，多数载流子多数载流子(n侧的电子和侧的电子和p侧的空穴侧的空穴)的扩散作用与少的扩散作用与少数载流子数载流子(n侧的空穴和侧的空穴和p侧侧的电子的电子)由于内电场的漂移由于内电场的漂移作用相抵消，作用相抵消，没有净电流没有净电流通过通过p-n结。结。 用电压表量不出用电压表量不出p-n结两端结两端有电压称为有电压称为零偏状态零偏状态。光电子技术研究所 在零偏条件下，如在零偏条件下，如用光照射用光照射p区或区或n区区，只要照射光的波长，只要照射光的波长满足满足 c，都会都会激发出光生电激发出光生电子子-空穴对空穴对。 光照光照p

3、区，由于区，由于p区的多数载流区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生浓度本来就比较大，因此光生空穴对空穴对p区空穴浓度影响很小。区空穴浓度影响很小。 相反，相反，光生电子对光生电子对p区的电子浓度区的电子浓度影响很大影响很大，从，从p区表面区表面(吸收光能多，吸收光能多，光生电子多光生电子多)向向p区内自然形成电子区内自然形成电子扩散趋势。扩散趋势。如果如果p区厚度小于电子扩散长度，区厚度小于电子扩散长度，那么那么大部分光生电子都能扩散进入大部分光生电子都能扩散进入P-n结结。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能

4、过结不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对电子空穴对被内建电场分离被内建电场分离。2022-6-264 一进入一进入p-n结就被内电场结就被内电场拉拉向向n区。这样区。这样光生电子一空穴光生电子一空穴对对就被内电场分离开来，空穴留在就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向区，电子通过扩散流向n区。区。这导致在这导致在N区边界附近有光生电子积累，在区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡生空穴积累。它们产生一

5、个与热平衡PN结的内建电场方向相结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由反的光生电场，其方向由P区指向区指向N区。此电场使区。此电场使势垒降低，势垒降低，其减小量即光生电势差，其减小量即光生电势差，P端正，端正，N端负。于是有结电流由端负。于是有结电流由P区流向区流向N区，其方向与光电流相反。区，其方向与光电流相反。 光电子技术研究所 一进入一进入p-n结就被内电场结就被内电场拉拉向向n区。区。这样这样光生电子一空穴对光生电子一空穴对就被内电场就被内电场分离开来，空穴留在分离开来，空穴留在p区，电子通过区，电子通过扩散流向扩散流向n区。这时区。这时用电压表就能测用电压表就能测量出量出p区正区正

6、, n区负的开路电压区负的开路电压un，称称为光生伏特效应。为光生伏特效应。如果用一个理想电如果用一个理想电流表接通流表接通p-n结，则有电流结，则有电流i0通过称通过称为短路电流。为短路电流。 综上所述，综上所述， 光照光照零偏零偏p-n结结产生产生开路电压的效应，称为开路电压的效应，称为光伏效应。光伏效应。 这也是这也是光电池的工作光电池的工作原理原理。PN结光电效应结光电效应当光辐照时，如果光子能量足够大，在当光辐照时，如果光子能量足够大，在P区、区、N区和区和结区结区都能产生光生载流子都能产生光生载流子。在结区，在结区，由于存在内建场，产生的电子空穴对分开，由于存在内建场，产生的电子空

7、穴对分开，电子移向电子移向N区，空穴进入区，空穴进入P区。区。在在P区，区，产生的电子空穴对，如果靠近结区，在电子产生的电子空穴对，如果靠近结区，在电子的扩散长度以内，它会有较大的几率扩散进入结区，的扩散长度以内，它会有较大的几率扩散进入结区，在内建场作用下，漂移到在内建场作用下，漂移到N区对区对PN结光电效应做出结光电效应做出贡献，而贡献，而空穴则受到势垒阻碍不能进入结区。空穴则受到势垒阻碍不能进入结区。在在N区，区，光生载流子空穴也有机会扩散到结区，在内光生载流子空穴也有机会扩散到结区，在内建场作用下，漂移进入建场作用下，漂移进入P区。区。这样，在光照时这样，在光照时P区、区、N区分别获得

8、了区分别获得了附加的附加的正、负正、负电荷，从而消弱了内建场，降低了势垒高度，电荷，从而消弱了内建场，降低了势垒高度，就像就像在在PN结上施加了一个正向电压一样结上施加了一个正向电压一样，其能带图变成，其能带图变成图中所示的形式。我们把在光辐照下，产生的图中所示的形式。我们把在光辐照下，产生的PN结结势垒高度降低的现象叫做光伏效应，产生的电动势势垒高度降低的现象叫做光伏效应，产生的电动势叫叫光生电动势光生电动势。EgFE0eVP区N区gEeVh9工作模式工作模式反向偏置的光电导工作模式反向偏置的光电导工作模式零偏置的光伏工作模式零偏置的光伏工作模式.光照下光照下PN结的电流方程结的电流方程有光

9、照射时，若有光照射时，若PN结电路接负结电路接负载电阻载电阻RL,如图，在如图，在p-n结内出现结内出现两种相反的电流两种相反的电流：光激发产生的电子空穴对，光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光在内建电场作用下，形成的光生电流生电流Ip，它与光照有关，其方，它与光照有关，其方向与向与p-n结反向饱和电流结反向饱和电流Is0相同。相同。RLIpID光照光照PN结工作原理结工作原理NP零偏置零偏置的的光伏工作模式光伏工作模式10/0(1)qV KTLDpspIIIIeIESIEpSE为光照灵敏度为光照灵敏度另一种是光生电流流过负载产生电压降，相另一种是光生电流流过负载产生电压降，相当

10、于在当于在PN结施加反向偏置电压，总电流是两结施加反向偏置电压，总电流是两者之差：者之差：光生电流光生电流:反向偏置反向偏置的的光电导工作模式光电导工作模式:有光照下的伏安特性曲线如下：有光照下的伏安特性曲线如下：11光照p-n结伏安特性/0(1)qVKTLDpspIIIIeI12光照下光照下PN结的电流方程结的电流方程与热平衡状态相对比，与热平衡状态相对比，有光照时有光照时PN结内将产生一个附结内将产生一个附加电流，称为光电流加电流，称为光电流，其方向，其方向与与PN结反向饱和电流相结反向饱和电流相同同，此时，此时PN结的电流方程为：结的电流方程为：IIeVkTIIP00exp/()IeVk

11、TIP01exp/光电流光电流IePhvP开路电压 01/exp0PIkTeVII00lnIIIeKTVPoc如果IP I0则00/lnIIeKTVP0VIISCPIePhP在短路状态下,PIkTeVII1/exp0IVP2P3P4P5P短路电流短路电流v 设设N区中空穴在区中空穴在寿命寿命p 的时间内的时间内扩散距离为扩散距离为Lp，P区中区中电子在电子在寿命寿命n 的时间内的时间内扩散距离为扩散距离为Ln。Ln+Lp=L 远大于远大于PN结本身的宽度。结本身的宽度。v 故可以认为在结附近故可以认为在结附近平均扩散距离平均扩散距离L内内所产生的光生载所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生

12、的位置距离结区超过流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对PN结光电结光电效应无贡献。效应无贡献。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献：流有贡献： n只有照射到只有照射到P-N结或其附近的光才能产生结或其附近的光才能产生光伏效应；光伏效应；n光照光照P-N结有确定的正负极性；结有确定的正负极性；n光伏效应主要依赖于结区或其附近光生光伏效应主要依赖于结区或其附近光生载流子载流子漂移运动漂移运动。特点特点当光入射到探测器时，如果光子能量足够大，在结

13、区、在结区、P区和区和N区均能区均能激发出电子激发出电子空穴对空穴对。这些光生载流子靠扩散进入结区，并在结区内建电场的作用下，电子向n区、空穴向p区漂移运动，在外回路中形成光电流光电流。光电流在负载电阻RL上产生与入射光通量相关的信号产生与入射光通量相关的信号输出。输出。RL1、工作原理、工作原理2、光伏探测器工作模式、光伏探测器工作模式 光伏探测器工作模式：光伏探测器工作模式：光伏模式和光导模式。在零偏压时称为光伏工作模式，在反偏电压反偏电压时称为光导模式。 光导模式光伏模式原理示意图在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，结势垒区加宽，有利于有利于光生载光生载流子的漂移运动，流子的漂移运动，使光

14、生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽，响应频率高。RLPNILRLUbbu反向偏置电路载流子浓度梯度效应：载流子浓度梯度效应：均匀半导体表面均匀半导体表面受足够受足够大能量的光照时，形成从半导体近表面指向体内的大能量的光照时，形成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。电子比空穴扩散快，则载流子浓度梯度。电子比空穴扩散快，则扩散电流扩散电流将沿光照的负方向将沿光照的负方向。dhvhvVEJ扩光磁电效应：光磁电效应：均匀半导体均匀半导体放置与受足够大能量的放置与受足够大能量的光照方向相垂直的磁场中，光照方向相垂直的磁场中，洛仑兹力洛仑兹力作用下电子与空作用下电子与空穴向垂直于扩散方向的不

15、同方向偏转，从而在半导体穴向垂直于扩散方向的不同方向偏转，从而在半导体侧面端面间产生电位差。侧面端面间产生电位差。dhvhvVEB零偏零偏压压pn结光伏探测器结光伏探测器光伏工作模式光伏工作模式光电池（光电池（一般以可见光作光源一般以可见光作光源）1.1. 光电池光电池+-PN 光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加不需加偏压偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其的说，其本质就是一个本质就是一个PN结结。 PNhPNLRGE表示电子表示电子表示空穴表示空穴I硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池光电池也称光伏电池，实质

16、上就是大面积的实质上就是大面积的PN结结，工作在光伏模式。由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能，因此又称为太阳电池。光电池的种类很多，如有晒光电池晒光电池，氧化亚铜光电池，锗光电池，砷化镓光电池，硅光电池锗光电池，砷化镓光电池，硅光电池等等。目前，应用最广的是硅光电池最广的是硅光电池。硅光电池的价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽光谱响应宽(很适合近红外探测)，寿命长，稳定性。光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作

17、串、并联组成作串、并联组成电池组电池组，与镍镉蓄电池配合，可作，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给电源供给。n 2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性光电流与照度线性变化变化，适用于开关和线性测量等。应用硅光电池的用途大致可分为两类：作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射的探测器、光电读出，光电耦合，激光准直，光电开关以及电影还声等。这类应用要求光电池照度特性的线性度好。作为电源，广泛用做太阳能电池，作为人造卫星、人造卫星、野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的电源野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的电源使用

18、。此类应用主要要求价廉，输出功率大。在P型硅片上扩散硼形成N型层，并用电极引线把N型和P列层引出，形成正负电极。为防止表面反射光防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜。光电池结构光电池结构G+- Si钢片透明电极引出电极绝缘层测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置不加偏置（？）（？）的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。 NP自偏工作状态硅光电池光探测原理硅光电池光探测原理 A测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置的情况下将光信

19、号转换成电信号。硅光电池的受光面的输出电极多做成如图所示的梳齿状或“E”字型电极，目的是减小硅光电池的内电阻。开路电压和短路电流：对应负载RL=和RL=0两种情况。硅光电池的光电转换效率：将硅光电池的输出功率与入射辐射通量之比，定义为硅光电池的光电转换效率。光电池的基本特性参数光电池的基本特性参数光电池的光谱响应曲线光电池的光谱响应曲线光电池外形光敏面光敏面光生伏特效应：在光线的作用下光生伏特效应：在光线的作用下, ,物体物体产生一定方向电动势的现象产生一定方向电动势的现象. .能提供较大电流的大面能提供较大电流的大面积光电池积光电池外形外形其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池

20、柔光罩下面为圆形光电池光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用光电子技术研究所 探测元件吸收光辐射能量探测元件吸收光辐射能量后，并后，并不直接引起内部电不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运收的光能变为晶格的热运动能量动能量，引起探测元件的，引起探测元件的电学性质或其它物理性质电学性质或其它物理性质发生变化。发生

21、变化。 二、光热效应二、光热效应光热效应。原则上，光光热效应。原则上，光热效应热效应与单光子能量与单光子能量h 的大小没有直接关系的大小没有直接关系对对光波频率光波频率没有选择性没有选择性。只是在只是在红外波段红外波段上，上，材料吸收率高，光热效材料吸收率高，光热效应也就更强烈，广泛用应也就更强烈，广泛用于于红外光辐射的探测。红外光辐射的探测。半导体材料吸收光后引起晶格振动加剧，即温度升高，使更多的电子被激发到导带，电导率增大。例如，在硅中，当温度从250 K 增加到450 K 时，激发电子的数目增加106 倍。 半导体材料的热电导效应Eg导带导带价带价带T1T2相反，吸收光以后，使晶格振动加

22、剧，妨碍了自由电子做定向运动。因此，当光作用于金属材料使其温度升高的同时，其电阻还略有增加。即金属材料有正温度系数，而半导体材料有负温度持性。 金属材料的热电导效应导带导带价带价带一般金属的能带结构外层无禁带，由于自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度的相对变化可以忽略不计。 热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。 热敏电阻（测辐射热计）热敏电阻（测辐射热计）n 电阻温度系数电阻温度

23、系数 (T ) 温度变化较小时：温度变化较小时：BTBRRT1BTBdRRdT 指在任意温度下温度变化指在任意温度下温度变化1(K)时的时的零负载电阻变化零负载电阻变化 率率， 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。n热敏电阻有热敏电阻有金属金属的和的和半导体半导体的两种。的两种。n 制作热敏电阻灵敏面的材料，制作热敏电阻灵敏面的材料，金属金属的多为金、镍、铋等薄的多为金、镍、铋等薄膜；膜；半导体半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。化钴等。n它们的主要区别是，它们的主要区别是，金属的热敏电阻，金

24、属的热敏电阻，电阻温度系数多为电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。量。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。火系统、热辐射体搜索

25、和跟踪等。热敏电阻的种类热敏电阻的种类 热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约的厚约0.01mm的薄片，粘在一个绝缘的衬底上，衬底又粘的薄片，粘在一个绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常数由大约时间常数由大约1ms变到变到50ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数，灵敏面表面都要进行黑化。数，灵敏面表面都要进行黑化。热敏电阻结构示意图热敏电阻结构示意图热敏电阻的结构热敏

26、电阻的结构产品温控器温控器应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等温差电效应温差电效应当把A、B两种不同的金属或半导体联结成一个闭合回路时，如果两个接头处的温度T1和T2不同，那么，这两个接头之间就会产生电动势（称为温差电动势），在回路中就会产生电流（称为温差电流），这个回路称为热热电偶或温差电池电偶或温差电池。这个效应称为温差电效应。是德国物理学家塞贝克（T.J.Seebeck，17701831）于1821年发现的,因此又称为塞贝克效应。如果把回路的一端分开并与一个电表连接，如图（b）所示。当光照熔接端(

27、称为电偶接头)时，电偶接头吸收光能温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量大小电流的数值就间接反映了光照能量大小。这就是用温差电效应探测光辐射的原理。光电子技术研究所 温度升高是热积累作用，温度升高是热积累作用，所以光热效应的响应速所以光热效应的响应速度一般度一般比较慢比较慢，而且容，而且容易受环境温度变化的影易受环境温度变化的影响。响。 但有一种所谓但有一种所谓热释热释电效应电效应，它比其，它比其它光热效应如熟知它光热效应如熟知的温差电效应的的温差电效应的响响应速度要快得多应速度要快得多，并已获得日益广泛并已获得日益广泛的应用。下面我们的应用。下面我们介绍这种热释电效

28、介绍这种热释电效应。应。热释电效应热释电效应热释电效应是热电晶体在温度变化时产生的一种现象。在非中心对称结构的极性晶体中，例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等，即使在无外电场和应力的条件下，本身也会产生自发电极化。由于自发极化，在垂直于电极化矢量Ps的晶体表面上出现面束缚电荷，面电荷密度s|Ps|。热电体的热电体的|Ps|决定了面电荷密度决定了面电荷密度 s的的大小，当大小，当|Ps|发生变化时，面电荷密度发生变化时，面电荷密度 s也跟着变化也跟着变化。 Pss光电子技术研究所 热释电现象是通过所热释电现象是通过所谓热电材料实现的。谓热电材料实现的。 热电材料首先是一种热电材料首先是一种电介质，

29、是绝缘体电介质，是绝缘体。是一种结晶对称性很是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而差的压电晶体，因而在常态下具有在常态下具有自发电自发电极化极化( (即固有电偶极即固有电偶极矩矩) )。 由电磁理论可知：由电磁理论可知： 在垂直于电极化矢量在垂直于电极化矢量Ps的材料表面上出现面束的材料表面上出现面束缚电荷，面电荷密度缚电荷，面电荷密度s |PS| 。由于晶体内由于晶体内部部自发电极化矢量排列自发电极化矢量排列混乱混乱，因而总的，因而总的Ps并不并不大，再加上材料表面附大，再加上材料表面附近分布的外部近分布的外部自由电荷自由电荷的中和作用的中和作用，通常觉察，通常觉察不出有面电荷存在。不出有面电

30、荷存在。光电子技术研究所 如果对热电体施加如果对热电体施加直流电场直流电场，自发极化矢量将趋于一致排列自发极化矢量将趋于一致排列( (形成单畴极化形成单畴极化) )，总的，总的P Ps s加大。加大。 它是实现热释电现象的理想它是实现热释电现象的理想材料。材料。热释电体的热释电体的|PS|决定了面电决定了面电荷密度荷密度s的大小，当的大小，当 Ps发生发生变化时，面电荷值也跟着变变化时，面电荷值也跟着变化化。当电场去掉后，如果总的当电场去掉后，如果总的PsPs仍仍能保持下来，那么将这种热电能保持下来，那么将这种热电体称为体称为热电热电-铁电体铁电体。光电子技术研究所 热电体表面附近的热电体表面

31、附近的自由电荷对面电荷的中和自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢作用比较缓慢，一般在，一般在11000秒量级。秒量级。 好的热电体，这个过程很慢好的热电体，这个过程很慢。在。在来不及中来不及中和之前，热电体侧面就呈现出和之前，热电体侧面就呈现出相应于温相应于温度变化的面电荷变化度变化的面电荷变化，这就是热释电，这就是热释电现象。现象。 温度升高，温度升高， |PS|减小减小。升高。升高到到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，Tc称为称为居里温度居里温度。在。在Tc温度以下，才温度以下，才有热释电现象。有热释电现象。当强度变化的当强度变化的光照射热电体时，热光照射热电体时，热电体的

32、温度发生变化电体的温度发生变化， |PS|亦发亦发生变化，而面电荷跟着发生变化。生变化，而面电荷跟着发生变化。经过单畴化的热电体，保持有经过单畴化的热电体，保持有较大的较大的|PS| 。这个这个|PS|值是值是温度的函数，如图所示。温度的函数，如图所示。光电子技术研究所 dtdTAdtdTdTdPAdtdPAissdTdPs如果极板面积为如果极板面积为A，则电流为则电流为式中式中 称为热释电系数，很显然，如果照射的称为热释电系数，很显然，如果照射的光是恒定的，那么光是恒定的，那么T为恒定的，为恒定的，PS亦为恒定值，亦为恒定值，电流为零。所以热释电探测器是一种电流为零。所以热释电探测器是一种交

33、流或瞬交流或瞬时响应时响应的器件。的器件。 光辐射照射时热释电晶体温度升高，光辐射照射时热释电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面感自发极化强度降低，因此电极表面感应的电荷减少，相当于应的电荷减少，相当于“释放释放”了一了一部分电荷，因此称为热释电现象部分电荷，因此称为热释电现象l 根据热释电器件的工作原理根据热释电器件的工作原理它只能测量变化的辐射它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。l 利用它来测量辐射体温度时，利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背

34、景与热辐射体的温它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。l 另外，因各种热释电材料都存在一个另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度居里温度，所以它只能在低于居，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。里温度的范围内使用。热释电探测器件的使用要点热释电探测器件的使用要点n 热释电器件

35、的光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电热释电器件的光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。要扬长避短，综合考虑。在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测器的应用非常广泛器的应用非常广泛 。热释电探测器件应用实例热释电探测器件应用实例 人体都有恒定的体温，一般在人体都有恒定的体温，一般在3737度，会发出特定波长度，会发出特定波长1010m左右的左右的红外线红外线，通过菲涅尔滤光片增强后，通过菲涅尔滤光